RCC-M与ASME针对核电强辐照区配套低合金钢埋弧焊焊接材料要求的对比分析

俘掳 核电焊接专题 RC C M 与 AS ME针 对 核 电强辐 照 区配 套 低 合 金 钢 埋 弧 焊 焊 接 材 料 要 求 的对 比分 析 深圳 中广核工程设计有限公司 5 1 8 1 2 0 黄腾飞邱振生 匡艳军孙广 摘要R c c M和 A S ME B P V C是目前核电设备制造广泛应用的规范 其中都包含对核电焊接材料的特殊要 求 强辐照区焊接材料最能代表核级焊接材料的特殊性 文中详细对比分析了强辐照区用低合金钢埋弧焊焊丝 焊剂组各个方面的技术要求 发现两个规范虽然对该焊材的要求有一定的差别 但是这种差别不会对使用该焊接 材料焊接 的焊缝性能造成实质性影 响 关键词 强辐照区埋弧焊低合金钢焊 丝焊剂组 中图分 类号 T G 4 0 7 0序 言 R C C M为 压水堆核 岛机械设备设计 和建造规 范 以下 简称 R c c M 规范 国内大部分的二代和 二代 加核 电站 以及 E P R三代核 电站都是 以 R c C M 规范作为设计基础 A S ME B P V C为 美国机械工程 师协会锅炉和压力容器规范 以下简称 A S ME规范 主用适用 于 A P 1 0 0 0三代核 电技术 埋弧焊 由于其效 率高 质量稳定等优点而广泛地应用于核电产品焊接 其 中强辐照 区用低合金钢埋弧焊焊丝 焊剂组最 能代 表核级焊材特殊性 文中针对 R C C M和 A S ME规范 对该焊接材料 的不同技术要求进行对 比分析 旨在为 制造厂使用和后续项 目设计提供参考 1 概 述 R c c M规范共包括五卷 第一卷是核 岛设备 其 A篇为总则 B篇 C篇和 D篇分别是对核一 二 三级 设备的技术规定 其 中包括了对焊接的特殊要求 第 四 卷是焊接 包括 S篇及附件 是对焊接及相关检验的通 用要求 使用 R C C M进行焊接相关设计时 在通用 要求 的基础上要考虑特殊要求 对于低合金钢焊丝 焊剂组 按 R C C M规范的要求 应根据 5 0 0 0章进行 商业牌号评定 按 2 0 0 0章进行按批验收 按 7 2 0 0节 存放和使用 其 中卡 片 2 8 3 0 B适用 于强辐 照区的焊 缝 处于一回路压力边界的低合金 钢主焊缝所用 的低 合金钢焊丝 焊剂组都应符合该卡片的要求 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 1 6 6 2 0 1 3年第 9期 A S M E规范中第 1 I I 卷是对核级设备 的技术规定 第 1 I 卷 C篇是对焊接材料的要求 第 1 x卷是对焊接评 定的要求 在 A S ME规范第 1 I 卷 C篇 中 S F A 5 0 1为 填充金属采购导则 适用于所有焊接材料 S F A 5 2 3 为 埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂标准 标准 中有多 种焊材型号供选择 在型号加字母 N 后缀 表示应用 于强辐照区焊缝 在 A S ME规范第 1 I I 卷中 还有对核 级焊接材料提出的附加要求 对于强辐照区焊接材料 其附加要求体现在第 1 I I 卷 N B篇 2 4 0 0章节中 2技术要求对比 核电焊接材料的技术要求主要体现在熔敷金属特 定工况条件下 的性能指标上 文中主要从验收试板焊 接及热处理 试验项 目 化学分析和力学性能 4个方面 分析 2 1 验收试板焊接及热处理 2 1 1 验收试板焊接 R C C M规范 中要求焊接材料验收试板应采用与 焊接材料 相 当的材料 或堆焊 隔离 层 其 尺寸应符 合 E N l 5 9 7 1的规定 对 于低合金钢焊丝 焊剂组 的验 收 还应符合 S篇中图 2 5 0 0 1的要求 如图 1 所示 S 篇 2 5 3 3节要求焊接材料验收技术规格书中应对焊接 参数 预热 层温 后热等作出规定 推荐采用法国标准 规定的 操作工艺 否则 建议使层问温度接近允许的 最高层问温度 A S M E规 范 的焊 接 材 料 验 收试 板 母 材 要 求 与 R C C M规范基本一致 其尺 寸见 图 2 对 于常用 的 4 4 I T l m直径焊丝 推荐 的焊接 电流 4 7 5 5 7 5 A 电压 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 核电焊接专题 r缛掳 2 7 3 0 V 焊接速度 7 0 0 5 m m s 对 于 F 2型焊 缝金属推荐 的预热温度为 1 5 0 C A S M E规范第 1 I I 卷 N B篇 2 4 3 1 1 C 节要求试件焊接应在产品焊接采用的 预热温度和层间温度范围内进行 L 一 I rl T l 一 L 一 l I I 一 5 0 一 试板长度 5 0 图 1 R C C M规范 S 篇图 2 5 0 0 1 a 焊丝 焊剂 组验 收试板尺寸 图 2 A S ME规范 S F A 5 2 3无 隔离层 验收试板尺寸 R C C M规范中的试板长 宽 厚都 比 A S ME规范 的大一些 根部间隙也大一些 另外 两个规范 的试板 焊接也都充分考虑实 际产品焊接 其 中 R C C M规范 建议层间温度靠上 限的优点 是 焊接材料以更为苛刻 的条件进行验收 增大了性能裕量 充分地考虑 了实际 生产情况 更有利于保证产品焊缝 的质量 2 1 2 热处理 热处理条件与熔敷金属 的力学性能 紧密相关 两 个规范对热处理要求包括 R C C M规范 2 5 3 4节要 求模拟消应力热处理等效保温时间至少等于制造过程 中实际进行热处理保温时间的 8 0 R c c M规范 2 8 3 0 B卡片要求模拟消除应力热处理温度 6 1 5 保 温时间 1 5 h A S ME规范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3中表 5 要求 F 2型焊缝金属热处理保温温度 6 2 0 o C 1 5 c 保 温时间 1 h A S ME规范第 1 I I 卷 N B篇 2 4 3 1 1 c 节 要求 当产品焊缝要做焊后热处理 时 试件就应在适用 的焊后热处理状态下进行试验 焊后热处理 的保温时 间至少应为生产 中焊缝金属 的最 长焊后热处理保温时 间的 8 0 两个规范的热处理要求都参 考产 品焊缝经历 的热 处理 这点要求是相同的 主要是从模拟产品焊缝的角 度进行考虑 另外 R C C M规范要求 的保温 1 5 h是 根据其本 国制造工艺特点规定 的 而 A S M E规范要求 的保温 1 h是为了根据焊接材料的强度等级进行分类 确定焊接材料型号 适用 于所有的 A S M E规 范焊接材 料的要求 2 2试验 项 目 首先 对两个规 范要 求进行 的焊接材料按批验 收 的检测项 目进行对 比 见表 1 两个规范对检测项 目的要求基本一致 但 R c c M规范没有对扩散氢含量 的检测提出明确的要求 在 实践 中 按 R C C M 规范制造 的设备均采用的是低氢 焊接材料 并在使用过程 中严格控制以下条件 所以较 表 1 焊材 验收检 验项 目 注 5 0 0 0中要求体积检验 2 5 3 3中规定 试件不要做体积检验 但为了保证在无缺 陷区取样 可进行 一次检验 只有买方规定 时 或当制造厂 在 标签上加上扩散氢代号 时才要做扩散氢试验 好地保证了产品焊缝焊接质量 焊接材料 供货商按 s篇 5 0 0 0章要求提供焊 材 的 烘干和贮 存条件 设备 制造厂按此 推荐条 件和 7 2 0 0 节要求处理 可以很好地控制焊接前焊接材料的含水量 R c c M规范对焊 接预热和后热 要求较高 可以 使氢充分地扩散 很好地控制焊接过程中氢含量 2 0 1 3年第 9期 6 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 俘 掳 核电焊接专题 2 3 化学分析 在 R C C M规范推荐的标准卡片中 S篇 2 8 3 0 B 卡片是适用于强辐照区 M n N i Mo 低合金钢焊接 的 焊丝 焊剂技术要求 在 A S M E规范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3中 有多种焊接材料型号供选择 这里选取型号 F8 P 4 一EF2 N F 2N 两种规范对焊剂型号都没有 明确 的要求 R C C M规范规定了焊丝 的分类号 为 E F 2 焊剂需要 结合 焊 丝的成分范围进行匹配 最终熔敷金属的化学成分范 围要满足 2 8 3 0 B卡片的规定 A S ME规范对焊丝和熔 敷金属的化学成 分范围都做 了具体规定 从焊丝 的成 分要求可以看 出需要匹配的焊剂应为高硅低锰型或 中 硅低锰型焊剂 两种规范对该焊接材料焊丝和熔敷金 属的化学成分具体要求见表 2 通过表 2对 比 可以发现两个规范对强辐照 区焊 材化学成分体系基本一致 都为 Mn N i Mo 低合金钢焊接 材料 严格限制 了杂质元素含量 控制合金元素含量 从而使熔敷金属达到一定的强度和良好的韧性 表2 焊丝及熔敷金属化学成分 质量分数 注 考虑 对 N 后缀型号焊材的特殊要求 对于强辐照区焊接材料 应考虑辐 照脆化的影响 涉及这方面的化学元素主要有 C u N i P S V等 通过 对辐照机理的研究 得到各种 经验 公式 例如 美 国核 管会导则 R G 1 9 9 反应堆压力容器材料 的辐照脆化 中 A R T N 主要是跟 c u N i 的含量有关 而在 R c c M 规范 Z G篇 中 R 7 1 N 主要是与 C u P含量有关 从表 2可以看出 两个规范对 c u N i P等元素的限制都很严 格 虽然 R C C M规范中要求 N i 1 2 0 但实际所使 用的焊接材料 N i 含量也没有超 过 0 8 0 另外 还 应考虑辐照活化的影响 主要就是限制 C o含量 两个 规范根据各 自的理论研究 核 电运行经验 以及各 自的 焊接材料体系 提出了略微差异的化学成分要求 2 4力学 性能 2 4 1 拉伸试验 两个规定对拉伸试验 的验收要求包括 R c c M 规范 S篇 2 8 3 0 B卡片要求熔敷金属室温屈服强度 4 0 0 MP a 抗拉强度 5 5 0 7 0 0 M P a 断后伸长率 12 0 3 5 0 C屈服强度 3 0 0 MP a A S ME规范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3表 6要求 F 8 X X型号焊材熔敷金属 的室温屈 服强度 I 4 7 0 MP a 抗拉强度 5 5 0 7 0 0 MP a 断后伸长 68 2 0 1 3年第 9期 率 12 0 A S ME规范第 1 I I 卷 N B篇 2 4 3 1 1 e 节要 求焊材熔敷金属应满足母材技术规格书所规定的抗拉 强度最低要求 A S ME规范的室温屈服要求高一些 没有直接体现出对焊材高温拉伸的要求 另外 对于拉伸试样尺寸的要求 两个规范也不尽 相同 R c c M规范 MC篇 1 2 1 1节要求室温拉伸试 样平行长度的直径 为 1 0 m m MC 1 2 1 2要求高温拉伸 试样直径为 1 0 m m 标距为 5 0 mm A S ME规范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3第 1 2 1 节要求拉伸试样平行长度直 径为 1 2 5 m m 标距为 5 0 r n m 2 4 2 冲击试验 两个规范对 冲击试验 的验收要求包括 R C C M 规范 S篇 2 8 3 0 B卡片要求 K V 0 冲击吸收能量平 均值I 5 6 J 最小值 t 4 0 J K V 一 2 0 冲击吸收能量 平均值 I 4 0 J 最小值 I 2 8 J A S ME规范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3表 7 M对数字 4 型号焊接材料要求 K V 一 4 O 冲击吸收能量平均值 2 7 J 最小值 2 0 J 另 外 第 1 3 4节对 N 后缀型号要求准备 3个试样 K V 室温 冲击吸收能量平均值 1 0 2 J 最小值 9 5 J 显然 两个规范的考核温度不 同 A S ME规范 的要 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 和 核电焊接专题 r缛掳 求更严格 另外 对于冲击试样个数的要求 两个规范也不尽 相同 R C C M规 范 s篇 附录 S I 3 0 0节要求 冲击 吸 收能量取 3个试样 都纳入结果评判范围 A S ME规 范第 1 I 卷 C篇 S F A 5 2 3第 1 3 3 M节要求 冲击试验取 5 个试样 评判结果 时 排除试验结果最高和最低 的 2个 冲击吸收能量值 A S ME规范对冲击试样个数的要 求可以排除个 别 偶然因素对试验结果 的影 响 更能反映 出材料本身 的 性能 2 4 3 落锤试验 两个规范对冲击试验的验收要求包括 R c c M 规范 s篇 2 8 3 0 B卡片要求 R T N D T根据设备规格书要 求确定 A s M E规范第 1 I I 卷 N B篇2 4 3 1 1 f 节要求 应满足母材 的要求 两个规 范都没有直接规定 都是 参考上游要求确定 3结束语 文中对 比分析 了 R c c M 规范和 A S ME规范对强 辐照区用低合金钢埋弧焊焊丝 焊剂组的技术要求 两 个规范的具体要求不尽相 同 但都能满 足核电设 备要 求 R C C M规范是完全针对压水堆核岛机械设备 的 规范 其对焊接的要求也充分考虑 了核级设备 的特点 具有很强的针对性 可操作性很好 A S ME规范既适用 于核级设备 也适用于非核级设备 其对焊接的要求相 对宽泛 另外 考虑到两个规范 的要求存在交集 而且 当前 强辐照区焊接材料的供应现状是只有为数不多几家焊 接材料供应商 通常的情况是 不管采用 R c c M规范 和 A S ME规范 中哪一个规范进行采购 的焊接材料 焊 接材料供应商实际提供的焊接材料都是同一种商业牌 号 也就是说 焊接材料供应商 提供 的焊接材料能 同 时满足两个规 范的要求 两个不同规范的核 电产 品使 用 的强辐照区焊接材料是相同的 作者简介 黄腾飞 1 9 8 4年出生 硕士研究生 工程师 现从事 压水堆核 电站核 岛主设备焊接设计工作 书 讯 1 最新手工电弧焊技术培训 2 6 4 O元 2 电气工程师便携手册 5 O 4 0元 3 晶闸管整流弧焊机的设计与调试 2 2 0 0元 4 焊接材料产品样本 3 6 0 0元